高地下水位条件下道路结构探讨.docx

1、高地下水位条件下道路结构探讨大管径直埋供热管道设计探讨王景涛 邹涛 1郑州市西气东输利用工程“两站一线连接线”设计难点与对策刘庆宇 5CNG汽车加气站的设计要点及注意事项邹 涛 8郑东新区33平方公里起步区供热管网工程邹 涛 13城市高地下水位条件下道路结构探讨苏国宏 杨明 郝身群18水泥混凝土路面的病害处理与改造技术苏国宏 李冰 胡斌 王惠玲 22 加筋土挡土墙在凯旋西路工程中的应用杨晨霞26城市渠道综合治理工程探讨 苏国宏29城市排水与防洪排涝的重现期衔接胡 斌 33新乡市牧野路泵站工艺设计简介魏明双 孙怡强 36新乡市雨水泵站工艺设计探讨孙怡强 魏明双 42焦作市群英河治理工程设计方案探

2、讨赵新海 郭二旺 48大口径HDPE管在濮阳市污水干管中的应用张德华 马传冬 袁海娜 51土工布在旧水泥混凝土路面补强中的设计与施工 张德华 马传冬 袁海娜54浅谈城市工程管线综合设计与管理（鹤壁市规划设计研究院） 57大管径直埋供热管道设计探讨王景涛 邹涛（郑州市市政工程勘测设计研究院） 摘 要 本文分析了直埋供热管道的破坏方式，并通过介绍大管径管道直埋敷设的一些设计实例，使大家对于管径大于DN500高温热水管道直埋敷设设计方式有一个更深的了解。 关键词 直埋管道、管道应力、塑性流动、疲劳破坏、驻点、最大过渡段长度一、问题的提出：供热管道直埋敷设方式以占地少、施工周期短、维修量小、寿命长等优

3、点，已成为城市热网的主要敷设方式，其理论已逐渐趋于成熟。我国的行业标准城镇直埋供热管道工程技术规程（CJJ/T81-98）已于1999年颁布实行，至今已四年了。对于钢管公称直径不大于DN500直埋预制保温管已建立了较为完善的设计体系，这一点也已被国内的许多热网工程所证明。然而，随着我国供热事业的飞速发展，规程适用范围已不能满足实际热网的需要，城市热网的最大管径都超过DN500。对于管径大于DN500的管道直埋敷设仍没固定的规范章程可以遵循，在具体的工程实践中直埋敷设常会遇到各种各样的具体问题，从设计角度讲如何处理好这些问题对于整个工程来讲是非常重要的。本文主要从管道的破坏方式角度讨论大管径供热

4、管道直埋敷设所碰到一些问题的设计处理措施，以供大家参考。二、直埋供热管道的破坏方式：根据供热理论，直埋供热管道的失效方式包括两个方面：1.强度失效：因管道中各类应力超出其相应的强度条件而产生的断裂破坏。根据作用荷载的不同，管道中应力可分为一次应力、二次应力和峰值应力，每种应力都可以引起不同方式的破坏。由内压产生的一次应力，满足静力平衡条件，所引起的变形具有非自限性。当一次应力超过屈服应力时，管壁会产生较大的塑性流动，塑性流动的进一步增加，可导致爆裂或断裂。由温度变化产生的二次应力，满足变形协调条件，所引起的变形具有自限性。可以允许有限量的塑性变形。对于塑性良好的钢管，二次应力一般不会直接导致破

5、坏，但循环往复的塑性变形将使管道发生破损。峰值应力是因为结构形状的局部突变而引起的局部应力集中，它虽不引起任何显著变形，但它是材料疲劳破坏的主要原因。峰值应力的变化范围越大，疲劳破坏所经历的周期就越短。应力集中通常发生在弯头、折角、大小头及三通等管件处。在温度和压力变化过程中，应力集中所引起的峰值应力，只在很小的局部范围内产生循环塑性变形。2.稳定失效：管道在受压状态下丧失稳定而产生的破坏。当热力管道处于受压状态下，将可能出现两种不同方式失稳破坏。包括：整体失稳和局部失稳，由于轴向压应力引起的管线失稳。因为从整个管线看，管道属于杆件；从管道局部看，管道属于薄壁壳体。在轴向压应力作用下，由于压杆

6、效应，可能会引起管线整体失稳；管壁可能出现局部皱结所引起的局部失稳。除此之外，管道埋设深度上的荷载也会使管道截面产生椭圆化变形，过大的椭圆化变形也会使管道产生破坏。三、大管径管道直埋设计要点：通过上述分析，在设计大管径直埋管道时，除按文献1进行强度设计外，还应采取下列设计方法：供回水管考虑设置补偿装置（补偿器和弯管），提高热胀变形的释放程度，降低管道的热应力，在保证满足规程要求的同时，来保证不出现局部失稳。产生局部失稳的因素是管道的轴向应变，而轴向应变取决于热胀变形的大小和热胀变形的释放程度。热胀变形的释放与管道补偿状态有关，有补偿管段的释放程度要大于无补偿管段的释放程度。为便于随时检修，补偿

7、装置处加设检查井。采用预应力安装方式，降低热胀变形的大小，以防止局部失稳出现。由于冷安装方式下的管道温升大于预应力（设置一次性补偿器或分段预热）安装方式下的管道温升，故预应力安装方式下，热胀变形量较小。但由于造价较高、工期要求和现场施工条件限制，此种方式不易实现。适当加大钢管壁厚，以保证不出现局部失稳。适当加大弯管壁厚，并对三通等应力集中部位进行加固，以提高这些部位的安全级别，保证这些部位的使用寿命。尽量利用驻点或Z形弯管来布置管道，以减少固定墩的设置，降低工程造价。适当加大钢管壁厚，以保证不出现局部失稳。在弯管及三通处覆盖软泡沫垫，降低弯管的应力水平。补偿器尽量在固定墩两侧对称布置，以减少固

8、定墩的推力，降低固定墩的规模。在接支管处，支管尽量利用背管结构与主管连接。在特殊情况下可在支管上直接加设固定墩。补偿器补偿量尽量按最大过渡段长度进行计算，并适当加大余量。由于工作压力较大（1.6Mpa），在调节阀两侧加设旁通管，以便于进行调节。按规程规定，高处宜设放气阀，低处宜设放水阀。但考虑到换热站的存在和水力冲洗的条件以及减少漏水点的存在，高处的放气阀井、低处的放水井可适当减少，可在调节阀井里加设排污和放气装置，以减少检查井的数量，降低工程造价。四、设计实例：郑州市郑东新区郑汴路供热管网工程是一条重要的供热工程。该热网的输送干线长度为5.4km，管径有DN700和DN800两条大管径，采用

9、直埋敷设方式，设计由郑州市市政工程勘测设计研究院燃气热力设计所完成。下面简述有关的设计方案。设计条件1工作压力：1.6Mpa2设计供水/回水温度：130/703管道安装温度取用-5；管道工作循环最低温度为10，采暖期运行4管材材质取用Q235钢5管顶埋深在1.25m间变化2.设计方案根据上述设计条件，本次设计方案如下：1供回水管都固定。固定墩设在分支管、异径管、平面折点、调节阀和变坡较大处。2供回水管都考虑加设波纹补偿器。补偿器设在专门的检查井内，以便于将来维修方便。3供回水管壁厚适当加大，采用D820X12和D720X10预制保温管。4利用驻点进行管道布置，以减少固定墩的数目。5补偿器在固定

10、墩两侧对称布置，以减少固定墩的推力，减少固定墩的占地面积。6接支管处，支管利用背管结构与主管连接，背管长度为59m。7适当减少排水井、排气井的数目，在调节阀门井加设排污和放气装置。8查井和固定墩可做在一块，以保证穿墙止水套管更安全运行。3.设计方案分析：供回水管都考虑加设补偿器，利用补偿器解决直管局部屈曲的问题。由于应力水平下降，直管的安全性有了很大提高。需要注意的是，钢管的壁厚问题。径向变形的大小与钢管的截面参数有关，在相同的垂直荷载作用下，平均半径越大，径向变形越大，管壁越厚，径向变形越小。在轴向应变相同的管道中，随着管壁的增厚而局部失稳可能性减小，而随着钢管平均半径增大而局部失稳可能性增

11、加。当埋深较浅和较深时，应适当加大钢管的壁厚，这样才能保证局部失稳的要求。但值得注意的是，增大钢管壁厚会使管道与管件的钢度差异加大，使管件上的变形和峰值应力加大，进而增加了管件疲劳破坏的可能性，所以也不能随意加大钢管壁厚。要仔细考虑详细比较后再作确定。接支管处之所以考虑背管结构，一方面是考虑减少对主干管的横向冲击力，另一方面也是考虑支管热变形的释放，降低支管的热应力，使支管和主干管的安全都得到了保证。另外，考虑到此工程的地下水较浅，为减少漏水事故点的存在，在满足安全运行的基础上，可适当减少检查井的数目。五、后语：通过上述分析，可以看出采用大管径预制保温管直埋是可行的。我们所设计的郑州市郑东新区

12、郑汴路供热管网工程已通过甲方组织的图纸会审，已经开始施工准备了，因热源问题，还没投入运行，本人作为图纸方案的参与者，把它写出来以供大家讨论。参 考 文 献 1 中华人民共和国行业标准城镇直埋供热管道工程技术规程 北京：19982 赵廷元，岳学文，孙振安热力管道设计手册山西科学教育出版社，1986.53 汤惠芬，范季贤城市供热设计手册天津科学技术出版社，1992.2 郑州市西气东输利用工程“两站一线连接线”设计难点与对策刘庆宇（郑州市市政工程设计研究院） 10月16日，郑州市成为了第一个用上“西气”城市，我院设计的“两站一线”连接线工程是连接赵家庄门站和中原西路高中压调压站的输气管道,该管线的建

13、设直接与郑州市是否安全用上“西气”相关,设计压力为3.5Mpa,管径为DN500,全长8Km左右,是郑州市,也是我院承接的管径最大、压力最高的市政燃气管线。为了配合郑州市政府关于第一个用上“西气”城市、郑州燃气公司成为第一个“西气”用户的部署，我院在接到设计任务后，派了由设计、测量和地质勘探组成的队伍，对规划线路进行了详细的勘察和调研，为施工图的优化设计打下了坚实的基础，下面我对施工图设计进行简单的介绍。一：管材的选择：1、管线材质的选择：在市政燃气管道工程中，钢管的费用约占工程设备材料费的50%，因此选用什么样的管材直接关系到工程的安全性和经济性。以前，市政燃气管线大多使用非管线钢的钢管材料

14、，如 Q235、16Mn、20#钢等，对于这么大的压力、管径的燃气管道选择什么样的管材对于我们来说是头等重要的事。输气管线钢除了满足强度、可焊性外，还必须根据敷设深度的地质、管径大小、介质压力以及介质的的腐蚀性来考虑钢材的冲击韧性、韧脆转换温度和耐腐蚀性。如果一味提高管道的材料等级而选择壁薄的管子，管道的韧性和抗应力腐蚀裂纹能力就会大大减小，如果管材的材料等级太低，就会大大增加工程费用，影响焊接速度，从而增长工期。经过调研，我们决定把把管材选用范围确定在50D/80之间，最后确定用符合GB9711-A级第一部分的L320管线钢，这种钢属于低合金钢，板材在卷焊前的最低屈服强度为350Mpa左右，

15、在卷焊后的最低屈服强度为320Mpa，其中的微量金属元素Mn、Cr、Ni的存在大大改善了钢材内部结构的性能，提高了金属的强度、韧性、消除了脆性，增强了板材的抗腐蚀性、抗氧化性、抗硫化物开裂，加大了焊缝影响区的硬度，提高了可焊性。2、管道种类的选择：由于本次输气管道大，冲击力大，尤其是作强度实验时，管道承受的盲板力巨大，这就要求管材直径偏差率小、管道质量好且内应力要均匀。目前，国内钢管制管主要有直缝焊接钢管、螺旋缝焊接钢管和无缝焊接钢管。直缝焊接钢管与螺旋焊接钢管相比，钢管主应力相当，但焊缝短，表面可加工，质量更容易控制，公称直径偏差小；与无缝钢管相比，不需要经热处理和冷精整加工，壁厚均匀，板材

16、应力好。因此本次工程选用了大直径直缝焊接钢管。3、强度设计（壁厚的选择），根据新规范，增加输气管道的安全主要从增加管道自身强度，而不是采用采用安全距离的原则，本工程地处郊区，人口稀少，但交通繁忙，且随着郑州市城市化的进程，该地区必然会得到充分发展，设计时我们把该地区定义为高于四级地区的做法，取安全系数为0.3，从而提高了管道自身的强度，通过计算，我们选用了D508X9.5的直缝焊接钢管。二：防腐材料和方式的选择管道的腐蚀是管道生命的杀手，直埋管道的腐蚀是多样的，但最突出的是土壤腐蚀，细菌腐蚀和杂散电流腐蚀，根据土壤的特点选好防腐方式对于管道安全运行至关重要。本工程大部分处于黄河冲积土中，土壤的

17、腐蚀中等，但管道附近有高压电缆，且有几处穿越河底的腐植土，腐蚀强度大。这就要求管道的外防腐层不仅有很高的强度，而且要有很好的绝缘性和抗菌性。本次设计采用了三层PE结构绝缘层外加阴极保护相结合的防腐方式，三层PE结构绝缘层是由环氧树脂和挤压聚乙烯涂层相结合形成的防腐系统，它结合了环氧树脂和挤压聚乙烯涂层的优良性质，具有很好的绝缘、憎水、抗腐植性及有很好的强度，大大提高了抗阴极剥离能力和粘着力。二者的结合，使管道的使用寿命达到50年，提高了经济效益和安全性。为了保护工作钢管受外力破坏，设计时在输气管道穿越须水河和301过道时采用套管保护，套管保护一般有钢筋砼套管保护和钢套管保护，由于301国道地下

18、空间紧张，设计只有采用钢套管一种可能性。资料显示，工作钢管的成品防腐层往往会在顶管施工时遭到致命破坏，套管两侧的防水层效果差，加剧了钢套管内管道的腐蚀，因此，作好套管内管道的防腐至关重要。经过探讨，我们设计时在原设计套管的基础上增加了以下程序：在套管两段开圆孔，往里面灌注熬好的热沥青，灌满为止，待热沥青凝固后，再用钢板把圆孔焊死。这大大提高了套管内防腐保护。 三：管道的焊接和焊缝验收由于本次工程管线钢为低合金钢，为了改善钢的焊接性能，应适当降低钢中碳的含量，因此，设计时焊条选用E50级低氢型焊条，焊接工艺要求采用氩弧焊打底，手工电弧焊盖面。实践证明，焊接效果是不错的。为了迅速、快捷、有保障地对

19、焊缝进行检查，设计要求焊缝检验除进行焊缝外观检验外，还要求对焊口进行100%的超声波探伤和用射线探伤复验，超声波探伤按焊缝手工超声波探伤方法及探伤结果分级执行，I级为合格，射线探伤检验数量和要求应满足钢熔化焊对接接头射线照像及质量分级的级标准。其中过路、穿越河道部分应进行100%的射线探伤。四：截断阀的设置为了管道的安全运行，当事故发生时，不至于使事故范围进一步的扩大，必须设置截断阀；根据规范，截断阀一般设置在管道的起点，重要河流的两端以及分段阀。本工程设了三个紧急切断阀门，一个是规划“南水北调”的上游，以备将来“南水北调”工程施工时进行改线，两个是预留管线阀，为将来不停气接管做好基础。截断阀

20、的两侧设有放空阀，当事故发生时保证1.52小时内把管道内的燃气放完。阀门采用电液联动球阀，球阀可以使清管球顺利通过。电液联动装置是油电动机-油泵机组提供动力的液压装置，传动平稳，工作可靠，容易控制，系统中设有手摇泵，以便近期无电和将来断电时使用。五：管道的试压及清管 设计要求，安装完后应立即试压和清管，试压的目的是暴露和检验管线潜在缺陷，清管是将管线内的脏物清扫干净。由于目前国家城镇燃气施工及验收标准落后，已不能满足新形式下的工程验收要求，本工程施工验收只能借助其他标准。目前，本次工程验收可借助的国家和行业标准有三种：化工金属管道工程施工及验收规范（HG20225-95）、工业金属管道施工及验

21、收规范（GB50235-97）、长输管道线路工程施工及验收规范（SYJ4001-98），选用哪种标准即能满足工程安全又能满足施工进度成为了设计的难点。经过调研和讨论，我们认为长输管线施工与验收规范更接近于城镇燃气，因此决定采用长输管道线路工程施工及验收规范（SYJ4001-98）。由于工期紧张，按通常先用水作强度实验，再安装阀门用空气作气密性的做法，工期就会增大，就满足不了甲方第一用上“西气”的要求。经过多方探讨，确定以下方案：先把整个系统进行通球、吹扫，然后用水作强度实验，最后用压缩空气推清管球，再用空气作气密性实验。这样节省了工期，又保证了质量。实验时，设计要求补偿器应设限位装置和固定墩。

22、六：其他为了便于清管，设计要求管道上所有弯头不大于45,弯曲半径不小于5D。当管道在水平方向上遇到障碍物时，可弹性敷设，考虑钢管的力学性能，以免焊缝开裂，规定弯曲半径不小于100。由于管道有数处通过垃圾坑，设计要求敷设管道时应将垃圾和回填土清除，换填2：8灰土或打沙桩来改善管基的土壤结构，防止管道失稳。以上是我本次工程的一些问题与对策，仅供同行参考，欢迎批评指正。CNG汽车加气站的设计要点及注意事项邹 涛（郑州市市政工程勘测设计研究院） 摘 要 天然气作为汽车燃料具有环保性、安全性、经济性的特点，发展压缩天然气汽车加气站具有社会意义和经济效益。本文从经济、合理、安全、适用的角度，介绍了压缩天然

23、气（CNG）汽车加气站的设计原则和设计要点。关键词 压缩天然气（CNG） 汽车 加气站 设计 引 言 根据郑州市环境监测数据分析，汽车尾气的排放是城市大气污染的主要来源之一。同时，由于机动车是低空排放，对低空大气环境污染和人体健康危害极大。因此，发展清洁的燃气汽车以取代燃油汽车，是减少环境污染、保护大气质量的重要手段，也是提高人民群众生活水平、调整能源结构、改善投资环境的重要条件。据对郑州市出租车的调查，轿的改装为天然气汽车，比烧油省钱约30%40%。2001年我院受郑州市燃气股份有限公司委托，完成了郑州市CNG汽车加气站网络建设工程的可行性研究并相继完成了郑州市洁云路、十里铺、紫荆山路、沙口

24、路等CNG汽车加气站的设计，取得了一些实际经验，现总结如下，仅共同行参考。1 、加气站的规模1.1加气站形式CNG汽车加气站按功能的不同可分为母站、子站和标准站。1.1.1母站：具有给天然气汽车加气功能，并可为子站供应压缩天然气的加气站。设备包括压缩机组、高压储气装置、售气机、脱水干燥系统等。1.1.2子站：依靠车载储气瓶运进天然气进行加气作业的加气站称为子站。子站内的设备包括子站拖车、撬装压缩机、站内储气装置、售气机等。1.1.3标准站：除了不给子站供气外，其它功能与母站相同。主要设备包括压缩机组、储气装置、售气机、脱水干燥系统等。1.2规模确定原则首先根据城市区域道路交通规划及城市燃气输配

25、管网布置确定建站形式。一般在靠近城市高压管网和门站处建母站;在无城市高、中压燃气管网地段或偏远地区建子站，子站的建设灵活、方便，距母站200Km范围内为宜；在中压干管附近建标准站，标准站建设比母站较为灵活，且占地面积较小。在建站形式确定后，要根据场地大小及交通流量情况确定建站的规模，郑州市所建标准站规模为日供气约10001200Nm3/d.母站规模拟带四个子站为宜。2、站址选择及总图布置2.1站址选择根据国家有关能源政策，结合城市的实际情况，天燃气汽车加气站建设发展应遵循以下原则：2.1.1站址的选择和分布应符合城市规划和区域道路交通规划;符合安全防火、环境保护、方便使用的要求。2.1.2 C

26、NG加气站站址应靠近城市交通干道或车辆出入方便的次要干道上。2.1.3 CNG加气站易靠近天然气高、中压管道或储配站、门站建设。2.1.4适当考虑在高压环上建设加气母站，以便为市区子站供气。2.1.5所建CNG加气站应不影响现有用户和待发展用户的天然气使用。2.2总图布置2.2.1严格按照汽车加油加气站设计与施工规范GB50156-2002对安全间距的要求,使站区布置尽量合理紧凑，节省占地面积，从而降低成本，提高经济效益。2.2.2根据工艺要求，充分考虑运营场内汽车的交通流向，停靠就位的方便，将储气瓶组、压缩机等设备设置在站房一侧。分区明确，车辆交通组织顺畅有序。3、工艺设计和设备配置3.1车

27、用天然气气质标准依据国家石油天然气行业标准汽车用压缩天然气（SY/T7546-1996），车用天然气气质标准如下：项 目指 标检验方法高热值（MJ/NM3）31.4B/11062组成%（V/V）二氧化碳3.0SY/T7506氧气0.5SY/T7506杂质含量mg/m3总硫200.0SY/T7508硫化氢5.0GB/1106.水分6.0（10.0）SY/T7507尘埃5.0西气东输天然气和中原油田气的质量符合国家标准GB/17820-1999二类气的技术指标，经过滤干燥可满足车用燃气指标。3.2工艺流程天然气通过市区中（高）压管网进站后经过滤、调压、计量、及干燥脱水后，进入缓冲罐，经压缩机加压后

28、注入高压储气装置。高压储气装置内的天然气根据控制系统的控制程序，先后通过售气机向汽车充气。由于中原油田天然气和西气东输的天然气不含硫，工艺设计可不考虑脱硫工艺。气源过滤调压计量脱水脱硫压缩机及优先控制盘售气机汽车高压储存装置3.3设计参数3.3.1运行压力压缩机排气压力： 25.0Mpa 储气瓶组： 充装压力 25.0Mpa 车用瓶压力：充装压力 20.0Mpa 3.3.2设计压力压缩机后管道设计压力 27.5 Mpa储气瓶组： 充装压力 25.0Mpa车用瓶压力：充装压力 20.0Mpa4、设备与材料4.1设备选型CNG加气站主要设备是压缩机、售气机、储存设备、调压计量装置等，其型号规格的选

29、择需考虑建设规模、场地大小以及经济合理、先进可靠等因素。4.1.1压缩机、售气机：和国产设备相比，进口设备自动化程度高、运行可靠、无故障工作时间长、占地面积小，噪音小，但售价较高、售后服务费用高。而国产设备近年来技术上趋于成熟，价格比较便宜，售后服务方便，但占地较大，噪音大，配套土建投资大。建议在经济许可或场地受限的情况下选择进口设备。郑州市已建的7座CNG加气站中，4座主要设备（撬装压缩机、售气机）为进口，3座主要设备为国产设备。4.1.2高压储存：目前国内CNG站高压储存方式有三种：高压瓶组、地上储罐、地下储气井。高压瓶组多为进口，价格较高，近来已被国产高压储罐代替，另外，地下储气井和地上

30、储罐相比，占地小，安全间距小，但投资偏高，适用于场地拥挤的气站。郑州市的CNG站，2座采用进口高压储气瓶组，1座采用地下储气井，4座采用国产地上储罐。储气瓶容量的确定，既要考虑加气车辆的多少，又必须考虑和压缩机的排气量相匹配。过小的储气瓶容量，会造成压缩机的频繁起动，影响压缩机的寿命。4.1.3干燥、调压、计量等设备均可采用国产设备。4.2管材及管件4.2.1压缩机前天然气管道选用无缝钢管，并应符合输送流体用无缝钢管GB8163的规定。管件的连接采用法兰连接。4.2.2高压天然气管道选用不锈钢无缝钢管，并应符合不锈钢无缝钢管GB/T14976的规定。管件的连接采用卡套连接。三通、弯头采用焊接连

31、接。阀门采用高压不锈钢阀门。4.2.3在天然气压缩机进、出口及地面储气瓶组进、出口均安装压力表、温度计，并设置超压报警装置。4.2.4在站区进口设紧急切断阀；压缩机具有自动和紧急停车装置，发生事故时报警并自动停机。4.2.5压缩机和储气瓶组均设有安全阀及放散管，不同压力级别系统的放散管应考虑分别设置。4.2.6注意在加气岛两侧设置防撞护栏。4.2.7加气机加气软管上应设拉断阀，其拉力范围在400600N。4.2.8天然气进站口设绝缘法兰及紧急切断阀。5、注意事项5.1 CNG站设计必须由经验丰富的燃气甲级资质设计院完成。5.2 储气井设计，施工必须具有天然气钻井资质的单位进行。5.3 CNG站的设计、施工、验收执行下列规范：汽车加油加气站设计与施工规范GB50